Chemie achter het toetsenbord

Zijn werkkamer voldoet niet aan het verwachtingspatroon: goed scorende onderzoekers hebben rommelige kamers en ordenen hun wetenschappelijke leesvoer, artikelen en boeken, op hoge stapels op tafels en stoelen, desnoods op de vloer. Zo'n wanorde is het bewijs dat er wordt gewerkt, en bovendien op een enigszins chaotische manier. Wat je mag verwachten van slimme geesten; zij springen tenslotte van het ene naar het andere nieuwe idee.

De kamer van prof. dr. ir. Berend Smit (36) in het Instituut voor Technische Scheikunde van de Universiteit van Amsterdam aan de Nieuwe Achtergracht, is een toonbeeld van orde. Op zijn bureau staat een snelle computer met een groot, grafisch beeldscherm, ideaal voor computersimulaties. Er liggen slechts enkele papieren.

Tegen de wand staan kasten met hangmappen vol gerangschikte wetenschappelijke artikelen. De vergadertafel in zijn kamer is maagdelijk leeg. Efficiënt handelen en ordenen, is hier blijkbaar de strategie. Niet zonder succes.

Smit, chemicus en - nog iets meer van harte - fysicus, heeft zich gespecialiseerd in computerberekeningen waarmee bijvoorbeeld de absorptie van gas- en vloeistofmoleculen is na te bootsen. Zeolieten, chemische verbindingen met kriskras door elkaar heen lopende kanalen in de kristalstructuur, vormen de modelstof voor het uitproberen van die simulaties op moleculair niveau.

Moleculen gaan in die minuscule kanalen zitten, het ene molecuul past er wel in, het andere niet, omdat er knikken in de structuur zitten, of gewoon omdat het te groot is. De computer berekent dat. Op een beeldscherm is aan de hand van bollenmodellen te zien hoe dat in zijn werk gaat.

Het is weliswaar fundamenteel onderzoek, maar met een groot potentieel aan toepassingsmogelijkheden onder meer in de (petro-)chemische industrie. Samen met enkele collega-onderzoekers ontwikkelde Smit algoritmes waarmee inmiddels de rekentijd van dit soort simulaties enorm is teruggebracht. Wat ooit een eeuwigheid duurde - en dus niet kon - levert nu in enkele uren een resultaat op.

Er is brede erkenning voor zijn werk, bijvoorbeeld in de vorm van diverse wetenschappelijke prijzen, om te beginnen voor zijn afstudeerwerk eind jaren tachtig aan de Technische Universiteit Delft, later voor zijn promotie-onderzoek en voor het simulatiewerk dat hij begon op het Shell-laboratorium in Amsterdam, en dat hij nu voortzet op de universiteit.

Die erkenning heeft zich inmiddels vertaald in een wassende geldstroom voor zijn onderzoek. NWO (Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek) gaf hem in april dit jaar - net een half jaar hoogleraar aan de UvA - een Pionier-subsidie: 1,4 miljoen gulden voor een periode van vijf jaar. Zoals gebruikelijk verdubbelt de universiteit dit bedrag nog eens.

Het Pionier-geld zal worden besteed aan het kopen van computerapparatuur en voor de financiering van enkele nieuwe aio's, assistenten-in-opleiding. Enkele maanden geleden gaf Shell, zijn vroegere werkgever, hem 140 duizend gulden uit een fonds van het olieconcern voor financiering van grensverleggend onderzoek.

Smits onderzoeksgroep bestaat nu nog uit vier aio's en een postdoc-onderzoeker, die door de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen wordt gefinancierd (KNAW). Dit aantal zal op korte termijn worden verdubbeld.

Het kost echter moeite jonge onderzoekers te vinden. Het salaris voor een aio is laag in vergelijking met wat het bedrijfsleven betaalt. 'Komt er iemand langs dan is het ter plekke beslissen, kiezen is er niet meer bij.'

Smit kwam na zijn schei- en natuurkundestudies aan de TU Delft terecht bij het Shell-laboratorium in Amsterdam. 'Toevallig. Op de TU hield ik me bezig met computersimulaties van moleculaire systemen. Ik hoorde van mijn hoogleraar dat Shell ook plannen in die richting had. Ten tijde van mijn afstuderen ging de nieuwe aio-regeling in: ik kon werken op de TU, maar voor de helft van het salaris van iemand met hetzelfde werk die nog volgens de oude regeling werd betaald. Een fenomeen dat nog steeds actueel is. Bovendien, bij Shell kon op dat moment veel op fundamenteel onderzoeksgebied.'

In 1988 begon Smit bij Shell. Negen jaar heeft hij er gewerkt. Hij kreeg er de kans om te promoveren en om aan de Universiteit van Californië in Berkeley een jaar bij te scholen in simulatietechnieken. 'Er was toen bij Shell meer vrijheid dan nu op de universiteit.'

'De ontwikkelingen aan die simulatietechnieken gingen langzaam. In het begin waren we uitsluitend in staat simulaties uit te voeren met kleine koolwaterstofmoleculen zoals methaan en ethaan; daarna hield het wel op. De meest interessante fracties in aardolie zijn echter opgebouwd uit moleculen met meer dan twee koolstofatomen.

'Absorptiesimulaties met grote moleculen zouden duizenden jaren rekentijd vergen. Bij toeval ontdekten we computeralgoritmes die de rekentijd met factoren verkleinden. Bovendien hadden we het geluk dat we de resultaten van die theoretische simulaties aan absorptieprocessen in zeolieten konden verifiëren aan de hand van de vele experimentele gegevens die in de loop der jaren daarover waren verzameld.

'Simulaties resulteren in tijdwinst. In motorolie bijvoorbeeld zitten nogal wat onvertakte paraffine-achtige koolwaterstoffen. Die stollen bij min 18 graden Celsius. Om dat te voorkomen, worden er aan de olie vertakte paraffines toegevoegd. Het kan ook anders, door de onvertakte langs chemische weg om zetten in vertakte.

'Zeolieten kunnen dat versnellen. Er zijn ongeveer negentig verschillende zeolieten. Het kost experimenteel ongeveer een half jaar om een zeoliettype op bruikbaarheid te beproeven. Op basis van trial-and-error is men er eind jaren tachtig in geslaagd twee geschikte zeolieten te vinden: daar is patent op aangevraagd.

'Het kostte ons negentig dagen rekenwerk om het absorptiegedrag van onvertakte en vertakte koolwaterstofffen in die negentig zeolieten te simuleren. Op basis van de resultaten daarvan konden we iets zeggen over de katalytische activiteit.

De twee zeolieten die in de patenten waren neergelegd, scoorden ook bij ons het hoogst. Bovendien vonden we een derde alternatief dan niet was gepatenteerd.

'We kwamen echter met die oplossing toen de interesse van de business-afdeling tanende was. Bij industrieel onderzoek moet je op het juiste moment met een oplossing komen, anders is er geen belangstelling meer. Dat moment kun je echter niet afdwingen. Ik heb daar nooit goed aan kunnen wennen.

'Het simulatie-onderzoek werd bij Shell stopgezet. Ik ben echter gefascineerd door het onderwerp en kon er mee terecht op de Universiteit van Amsterdam. De keuze was niet moeilijk. Wat is er leuker dan iets te doen waarvoor je een zekere passie hebt.

'Het geleidelijk bouwen aan iets nieuws, dat drijft me bij het onderzoek. Achteraf kijk je dan, net als een architect, terug naar het bouwwerk dat er na verloop van tijd is neergezet. Een architect begint ook met niks, met vage plannen, neergelegd in de vorm van enkele contouren van het bouwwerk op de tekentafel. En dan staat het er opeens. Dat geeft een goed gevoel, en dat stimuleert om verder te gaan.

'De competitie met anderen maakt onderzoekswerk spannend. Je wilt het beter doen dan je collega's. Je moet er van overtuigd zijn dat jouw ideeën kunnen concurreren met die van anderen. Naast die dagelijkse spanning van de concurrentie is er vooral de drang om iets te creëren.

'Dit nieuwe vakgebied is nog redelijk overzichtelijk. Hieraan werken wereldwijd enige tientallen onderzoekers. Je kent ze van naam, en je weet wat ze doen. Het vak wordt nog door individuen gedragen en je werkt nog niet met een groep van vijftig man waarin jezelf maar een klein radertje bent, zonder veel eigen inbreng.

'Het absorptievermogen van zeolieten kunnen we inmiddels goed simuleren. Nu willen we ook het absorptieproces zelf nabootsen. Het statische beeld omzetten in dynamische beelden. We gaan de diffusie simuleren van gassen en vloeistoffen door die zeolietkanalen.

'Zo ben je voortdurend bezig met hetzelfde lijkt het, simulaties op moleculaire schaal. Wat dit werk zo interessant maakt, is dat die kennis is toe te passen op problemen in vele andere disciplines. Ons onderzoek aan zeolieten heeft vooral betrekking op de chemiesector.

'Het is zo'n leuk vakgebied, als je er voor open staat, struikel je over de mogelijkheden. We gaan beginnen met biologische systemen, celmembranen: hoe kunnen bepaalde moleculen door absorptie de structuur van een celmembraan veranderen. Dat simulatiewerk doen we samen met onderzoekers van de Universiteit Utrecht. Zij nemen het experimentele werk voor hun rekening.

'De meeste tijd besteed ik op dit moment aan het onderwijs, het voorbereiden van het eerstejaars-college Structuur der Materie. Het is voor de eerste keer dat ik dat ga geven, en dan kost de voorbreiding relatief veel tijd.

'Van eigen onderzoek komt de laatste tijd niet veel terecht. Het wetenschappelijke werk betreft vooral het begeleiden van aio's bij hun onderzoek. Het allerbelangrijkste daarbij is, aan anderen over te dragen hoe onderzoek moet worden uitgevoerd.

'We scoren goed met ons onderzoek. De artikelen die we produceren, worden gemiddeld meer dan twintig maal geciteerd in artikelen van andere onderzoekers. De meeste Nederlandse chemici halen dat aantal niet, en daar ben ik best trots op. Maar laten we ook reëel zijn, het onderzoeksgebied is nog zo nieuw, dat elk resultaat al gauw een goed resultaat is.

'In het begin waren voor simulatiewerk supercomputers nodig. Nu kan hetzelfde met een normale pc, waardoor de concurrentie is toegenomen. We hebben echter gezien onze ervaring een zekere voorsprong op de concurrentie.

'Een workaholic ben ik niet, want welke workaholic werkt vier dagen? De deur van het lab gaat hier om vijf uur achter me dicht, dan moet ik naar de crèche om mijn zoontje op te halen. In het weekend wil ik nog wel iets aan mijn werk doen, door de week 's avonds kom ik daar niet aan toe. Ik vind mijn werk belangrijk, maar een baby verzorgen, is ook leuk. Opvoeden kun je maar één keer doen en onderzoek nog de komende dertig jaar.'

Broer Scholtens